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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Oszillatoren, insbesondere
auf eine Form eines Ringoszillators, dessen Frequenz von einem Steuereingangssignal
abgestimmt werden kann.
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Der
Ringoszillator ist eine bekannte Schaltung, die aus einer Anzahl
von Verzögerungselementen,
die in einem Serienring mit einer ungeraden Zahl von Signalinversionen
in der Schleife angeordnet sind, zusammengesetzt ist. Beim Betrieb
pflanzt sich ein Einschwingvorgang ununterbrochen um die Schleife
fort und erzeugt dadurch eine Schwingung. Wegen der Kreissymmetrie
der Schleife (unter der Annahme, dass alle Verzögerungsstufen völlig gleich sind)
sind die Phasen der Ausgangssignale jeder Ringstufe gleichmäßig beabstandet
(mit einer Gesamtphasenverschiebung von 180° um die Schleife), wobei sich
die Schwingungsdauer aus der doppelten Gesamtsumme der Verzögerungen
um die Schleife ergibt. Ringoszillatorschaltungen werden häufig verwendet,
z. B. um die Geschwindigkeitsleistung von Herstellungsverfahren
für integrierte
Schaltungen zu messen.
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Ringoszillatoren
haben viele attraktive Merkmale für das Implementieren eines
vollständig
integrierten Oszillators: Sie sind sehr leicht zu verstehen und
zu entwerfen und können
bei sehr hohen Frequenzen arbeiten; die Entwürfe sind zwischen den Technologien
relativ leicht transportabel und schaffen an sich Mehrfachausgangssignale
bei wohl definierten gleichmäßig beabstandeten
Phasenintervallen (ein wesentliches Merkmal bei einigen Anwendungen).
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Ein
Weg, einen abstimmbaren Ringoszillator herzustellen, ist, in den
Ring eine Verstärkerstufe
(z. B. ein Differenzverstärkerpaar)
einzubeziehen, deren Verzögerung
geändert
werden kann. Dies kann durch das Ändern des Ansteuerungsstroms
in der Verstärkungsstufe
erreicht werden. Wenn jedoch eine einfache ohmsche Belastung bei
der Verstärkerstufe
verwendet wird, führt
dies zu einer Änderung der
Ausgangssignalamplitude, welche die Geschwindigkeitseinstellung
aufhebt. Eine Lösung
dafür ist
das Verwenden einer kompensierten Belastung, deren Im pedanz mit
dem Ansteuerungsstrom eingestellt wird, um eine konstante Spannungsschwankung
aufrechtzuerhalten. Dies zwingt jedoch normalerweise zur Verwendung
von niedrigeren Ansteuerungsströmen
und begrenzt folglich die Frequenz, die erreicht werden kann.
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EP-A-0294203
offenbart einen spannungsgesteuerten Hochgeschwindigkeits-Ringoszillator, der
in seiner einfachsten Ausführungsform
eine Anzahl von invertierenden Verzögerungselementen umfasst. Diese
sind in einer Schleife angeordnet, wobei ein Abschnitt der Schleife
alternative Signalpfade umfasst, die unterschiedliche Verzögerungsbeträge in sich
aufweisen. Ein Mischelement mischt gemäß einem Steuereingangssignal
die Ausgangssignale von diesen zwei Pfadabschnitten in variierenden
Anteilen, um zu ermöglichen,
dass die Frequenz des Rings zwischen zwei begrenzenden Frequenzen,
die durch die zwei Alternativpfade um den Ring definiert sind, abgestimmt
wird. In einer solchen Anordnung werden die Phasenlagen zwischen
den Ausgangssignalen der verschiedenen Verzögerungsstufen um den Ring nicht
aufrechterhalten, wobei es deshalb nicht möglich ist, von dieser Schaltung
eine Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten
schwingenden Ausgangssignalen abzuleiten, wobei dies außerdem das Maß an Abstimmung,
die erreicht werden kann, begrenzt.
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Daher
ist die Hauptschwierigkeit beim Implementieren herkömmlicher
abstimmbarer Ringaszillatoren das Erreichen des zuverlässigen Betriebs über einen
breiten Abstimmbereich, während
die Hochgeschwindigkeitsleistung aufrecht erhalten wird.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen abstimmbaren Ringoszillator,
der eine Anzahl von Verzögerungsstufen
umfasst, die in einem Ring mit einer ungeraden Zahl von Signalinversionen
im Ring angeordnet sind, bei dem in jede Stufe das Ausgangssignal
der vorherigen Stufe und das Ausgangssignal einer weiteren Stufe
im Ring eingeben werden. Die zwei Eingangssignale haben somit Phasen,
die verschieden voneinander sind, wobei die Abstimmung durch das
Mischen der zwei Eingangssignale in veränderlichen Anteilen erreicht
wird, so dass die Phase des Stufenausgangssignals eingestellt wird.
Dies beeinflusst die Frequenz, mit der die Schaltung schwingt. Die
Tatsache, dass die Phase bei dem Eingangssignal in jeder Stufe eingestellt
wird, bedeutet, dass die Phasenlagen zwischen den Ausgangssignalen
der Stufen bei unterschiedlichen Frequenzen aufrechterhalten werden
können.
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Vorzugsweise
ist der Ring symmetrisch, d. h., jede Stufe in dem Ring ist, mit
Ausnahme notwendiger Signalinversionen, auf dieselbe Art konfiguriert, wobei
ein einzelnes Abstimmeingangssignal an die Mischvorrichtungen aller
Stufen angelegt wird. In dieser Anordnung kann die Mehrzahl der
gleich beabstandeten Signale von dem Ring auf genau dieselbe Art
wie im oben beschriebenen Stand der Technik, jedoch jetzt bei abstimmbaren
Frequenzen, abgeleitet werden.
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Diese
Erfindung verwendet folglich eine Abstimmtechnik, die gegenüber der
einfachen Stromabstimmung grundsätzlich
verschieden ist. Die Schwingungsfrequenzen, die erreicht werden
können,
können
größer oder
kleiner als die Frequenz des äquivalenten
nicht abgestimmten Ringoszillators sein.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser anhand der folgenden Beschreibung
der beispielhaft gegebenen bevorzugten Ausführungsformen und anhand der
beigefügten
Zeichnung verstanden, in der:
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1 eine Ersatzschaltung einer
Stufe des Oszillators der bevorzugten Ausführungsform und ein darauf bezogenes
Zeigerbild zeigt;
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2 die Implementierung einer
Stufe der bevorzugten Ausführungsform
mit Hilfe der MOS-Technologie zeigt;
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3 und 4 Beispiele für mögliche Ringkonfigurationen
sind; und
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5 eine graphische Darstellung
einer Stufe in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist, die eine positive
Abstimmung und eine negative Abstimmung hat.
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Ein
wichtiges Merkmal des phasenabgestimmten Ringoszillators (PTROs),
der in den Figuren gezeigt ist, ist die Anwesenheit eines Mischers bei
dem Eingang jeder Stufe. Dieser wird verwendet, um ein (von einer
anderen Ringstufe angezapftes) sekundäres phasenverschobenes Signal
mit dem Hauptstufen-Eingangssignal zu verbinden. Im Ergebnis ist
die Phase des Netto-Stufeneingangssignals moduliert. Dies erzwingt
wirksam das Verschieben der Frequenz der Ringschwingung, um das
feste Verhältnis
zwischen den Stufenphasen (das durch die Ringkonfiguration definiert
ist) aufrechtzuerhalten. Die Frequenzabstimmung wird durch das Variieren der
Größe des sekundären in den
Mischer eingegebenen Signals und daher durch den Grad der Phasenverschiebung
erreicht.
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1 zeigt ein äquivalentes
Modell für
eine Stufe eines PTROs und ein Zeigerbild, das zeigt, wie das resultierende
Stufeneingangssignal R in Bezug auf das primäre Eingangssignal P durch das
Mischen mit dem sekundären
Eingangssignal S phasenverschoben ist. In dem Zeigerbild ist die
Wirkung des Addierens des Signals S mit der Größe r zu dem Signal P mit der
Größe 1 gezeigt.
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Der
grundlegende PTRO-Stufenentwurf ist in 2 gezeigt und wird mit Hilfe einer MOS-Technologie
realisiert. Die Schaltung basiert auf einem nicht invertierenden
Standarddifferenzverstärker,
der ein Paar mit langem Impulsschwanz M1, M2 mit den einfachen ohmschen
Belastungen R1, R2 verwendet, die mit einer fest eingestellten Stromquelle
11 arbeiten. Diese wird von einem primären Differenz-Stufeneingangssignal
Pa, Pb angesteuert.
Um die Phasenabstimmung durchzuführen,
ist ein zweiter Differenzverstärker
M3, M4 hinzugefügt,
der von dem sekundären
Differenz-Stufeneingangssignal Sa, Sb angesteuert wird. Dieser zweite Verstärker arbeitet
mit einer Stromquelle 12, deren Wert durch einige Mittel variiert
werden kann, um die Frequenzabstimmung des Oszillators zu bewirken.
Die Lastkondensatoren C1, C2 sind hinzugefügt, um die Geschwindigkeit
der Stufe zu verlangsamen, um die gewünschte Ringoszillatorfrequenz
einzustellen: Diese können
wahlweise weggelassen werden, um die maximal mögliche Betriebsfrequenz zu
erreichen.
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Diese
Schaltungskonfiguration wirkt wirksam als ein Mischer: Die von den
zwei Differenzverstärkern
erzeugten Ströme
werden in den Widerständen sum miert
und entwickeln dadurch eine Ausgangsspannung Oa,
Ob, welche die Summe der zwei Verstärkerausgangssignale
darstellt.
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Es
ist klar, dass diese Schaltung einfach durch das Austauschen der
MOS-Vorrichtungen M1, M2, M3, M4 mit anderen (z. B. bipolaren) Transistorenarten
leicht an andere Technologien angepasst werden kann.
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Die
PTRO-Ringkonfiguration ist nicht fest eingestellt, sondern kann
variiert werden, damit sie sich für eine besondere Anwendung
eignet. Die Parameter, welche die Ringkonfiguration definieren, sind
unten aufgeführt.
Diese können
jeweils unabhängig
gewählt
sein, um die Abstimmeigenschaften des vollständigen Oszillators zu ändern.
- 1. Anzahl der Stufen im Ring N.
- 2. Stufenversatz zwischen den primären und den sekundären Eingangssignalen
M.
- 3. Abstimmpolarität.
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Die
Werte von M und N sind den folgenden Begrenzungen unterworfen: N ≥ 3 1 ≤ M ≤ (N – 1)
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Die
Abstimmpolarität
kann entweder positiv oder negativ sein.
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Die
Bedeutung dieser Parameter wird am leichtesten durch das Betrachten
einer Beispielausführung
eines PTROs, wie sie etwa in 3 gezeigt ist,
verstanden. Dies ist ein Stromlaufplan eines positiv abgestimmten
5-Stufen-Rings mit einem einzelnen Stufenversatz zwischen den primären Eingangssignalen
und den sekundären
Eingangssignalen (d. h. N = 5 und M = 1). In dem Diagramm sind die
Differenzsignale der Einfachheit halber durch einzelne Linien dargestellt.
Die Kreise an den Eingängen
der Ringstufen stellen Signalinversionen dar, die einfach durch
das Dazwischenlegen der zwei Differenzverbindungen erreicht werden.
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In
dem gezeigten Beispiel gibt es 5 Stufen in dem Ring (X15-) mit einer
Inversion in der Hauptschleife über
die 'P'-Eingangssignale
(an dem 'P'-Eingangssignal von
X1), um die Schwingung, wie oben erläutert ist, zu fördern. Außerdem hat
jede Stufe ein sekundäres
Eingangssignal, das von einer vorherigen Stufe in dem Ring genommen
wird. Die richtige Polarität
um die Schleife wird dadurch aufrechterhalten, dass die entsprechenden
Inversionen, in diesem Fall bei den 'S'-Eingangssignalen
von X1 und X2, die jenen 'S'-Eingangssignalen
entsprechen, welche die Inversion in dem 'P'-Ring
umgehen, verwendet werden. Außerdem
ist ein Abstimmsteuersignal gezeigt, das an jede Stufe des Rings
angelegt wird, um ein Mittel zum Einstellen der Abstimmstromstärke zu schaffen.
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Der
wichtigste Parameter, soweit die Abstimmeigenschaften betroffen
sind, ist M. Der Wert von M sollte gemäß dem Grad der benötigten Abstimmung
gewählt
werden: Je größer der
Wert von M ist, desto größer ist
im Wesentlichen der Grad der Abstimmung. Ein Weg, dies zu verstehen,
ist, in Betracht zu ziehen, dass die sekundären Eingangssignale einen Teil
des Rings umgehen, wodurch die Schleifenverzögerung verringert und die Frequenz erhöht wird:
Je größer die
Anzahl der umgangenen Stufen ist, desto größer ist die Wirkung auf die
Abstimmung.
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Die
Abstimmpolarität
bestimmt die Wirkung der Abstimmung auf die Ringoszillatorfrequenz:
Bei der positiven Abstimmung wird das sekundäre Eingangssignal mit derselben
Polarität
wie das primäre Eingangssignal
angelegt. Dies verstärkt
das primäre Eingangssignal
und bewirkt, dass sich die Schwingungsfrequenz erhöht, während sich
der Abstimmstrom erhöht.
Bei der negativen Abstimmung ist die Polarität der sekundären Eingangssignale
verglichen mit dem primären
Eingangssignal in jeder Stufe des Rings invertiert. Dies bedeutet
deshalb, dass das sekundäre
Eingangssignal dem primären
Eingangssignal entgegengesetzt ist, wobei dies zu einer Verringerung
der Schwingungsfrequenz führt,
während
sich die Abstimmstromstärke
erhöht.
Eine negativ abgestimmte Version des PTROs der 3 ist in 4 gezeigt.
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Alle
Ringparameter spielen bei dem Bestimmen der Leistung irgendeiner
bestimmten PTRO-Konfiguration eine wichtige Rolle. Eine Konfiguration
mit spe zieller Bedeutung ist ein positiv abgestimmter 6-Stufen-Ringoszillator
mit einem 2-stufigen sekundären
Vorwärtskopplungs-Eingangssignal
(d. h. N = 6, M = 2), da diese Konfiguration besonders gute Abstimmeigenschaften
und -stabilität
zeigt.
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Es
gibt mehrere Änderungen,
die auf den oben beschriebenen Schaltungen basierend vorgenommen
werden können,
ohne vom Wesen dieser Erfindung abzuweichen. Einige von diesen sind
wie folgt:
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Gepufferte
Ringstufe
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Die
Grundringstufe kann durch das Hinzufügen eines Puffers (entweder
eines Differenzverstärkers
oder eines Source-/Emitter-Folgerstufenpaars) bei dem Ausgang verbessert
werden.
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Differenzabstimmung
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Der
Primäre
Eingangsverstärkerstrom
kann gleichzeitig und im entgegengesetzten Sinn des sekundären Verstärkerstroms
variiert werden (d. h., der primäre
Strom verringert sich, während
sich der sekundäre
Strom erhöht).
Dies verursacht einen stärkeren
Grad der Phasenverschiebung (und daher eine größere Frequenzabstimmempfindlichkeit),
kann jedoch eine Instabilität
des Oszillators (je nach der Ringkonfiguration) bewirken.
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Bipolare Abstimmung
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Sowohl
die positive Abstimmung als auch die negative Abstimmung können gleichzeitig
(durch das Einbeziehen von zwei Mischern) verwendet werden, um einen
Oszillator zu implementieren, dessen Frequenz gegenüber der
nicht abgestimmten Frequenz sowohl erhöht als auch verringert werden
kann. Dies ist unten in 5 gezeigt.
In diesem Entwurf ist der Abstimmstrom zwischen den zwei sekundären Stufeneingangssignalen
Sp, Sn gemäß dem Wert
von r (der folglich auf den Bereich 01- beschränkt ist) aufgeteilt. Die sekundären Eingangssignale
Sp und Sn werden
von den Stufen Mp bzw. Mn zurück in die Schleife
genommen (diese sind nicht unbedingt gleich). Außerdem wird ange merkt, dass
die Polarität von
Sn umgekehrt wurde, um eine negative Abstimmung
zu bewirken. Bei dieser Anordnung tritt der Null-Abstimmpunkt auf,
wenn die positiven Abstimmverfahren und die negativen Abstimmverfahren
einander aufheben (bei r = 0,5 für
gleiche Mn- und Mp-Phasenschiebungen).
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Allgemeinen
ausgedrückt
ist diese Erfindung ein Oszillator, der eine Anzahl von völlig gleichen
Differenzverstärkerstufen
umfasst, die in einem Ring angeordnet sind, mit einer Inversion
in der Schleife, um eine Schwingung zu erzwingen. Jede Stufe des Oszillators
empfängt
ein primäres
Eingangssignal von dem Ausgangssignal der vorherigen Ringstufe und
außerdem
ein sekundäres
Eingangssignal, das von einer Anzahl vorheriger Stufen in dem Ring
genommen wird. Jede Stufe des Oszillators enthält eine Mischeranordnung, an
welche die primären
Signale und die sekundären
Signale angelegt werden. Der Mischer enthält einige Mittel zum externen
Einstellen der relativen Wichtung der primären Signale und der sekundären Signale,
die gemischt werden. Die Funktion des Mischers ist, ein Nettosignal
zu erzeugen, dessen Phase gegenüber
dem primären
Signal verschoben ist. Die Wirkung der Phasenverschiebung ist das
Erzeugen einer Änderung
in der Frequenz der Schwingung um den Ring. Durch das Ändern der Wichtungen
der gemischten Signale kann der Grad der Phasenverschiebung variiert
werden, wobei die Oszillatorfrequenz folglich abgestimmt werden
kann.
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Die
phasenabgestimmte Ringoszillatorfrequenz kann auf einen höheren Wert
als die Frequenz des äquivalenten
nicht abgestimmten Ringoszillator abgestimmt werden, was bei herkömmlichen
stromabgestimmten Ringoszillatoren normalerweise nicht der Fall
ist. Außerdem
kann die Frequenz durch dieselbe Vorrichtung gegenüber ihrem
Nennwert sowohl nach oben als auch nach unten abgestimmt werden, wodurch
das Erreichen eines großen
Abstimmbereichs ermöglicht
wird.